基于多糖-多肽偶联体的基因输送体系构建及其在皮肤治疗中的应用

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由手术、外伤或代谢性疾病等因素引起的皮肤损伤已成为常见的疾病类型。皮肤创面的修复涉及多种细胞和因子的相互作用,是一个连续、重叠的多阶段过程,如何实现高效高质的创面愈合成为近年来的研究挑战之一。基因治疗通过基因输送体系将外源功能性基因导入靶细胞,调控目的基因的表达,能够实现生长因子在创面原位的连续输送,是皮肤创面治疗中重要的手段之一。安全、高效的基因输送体系是基因治疗成功的关键。与病毒载体相比,聚合物基载体因具有化学组成和结构多样化、易于功能化、免疫原性低等优势而被广泛研究。近年来,天然多糖、多肽等材料因其良好的生物相容性和结构可调控性,作为基因输送体系具有较灵活的设计空间。因此,可以利用不同特性的氨基酸设计功能性多肽,通过简便稳定的合成方法与天然多糖结合,开发设计适用于皮肤创面愈合的低毒高效的基因输送体系,探究其在皮肤创面修复中的应用。本论文第二章中,以富含羟基的天然多糖葡聚糖(Dex)为骨架,通过简便的酯交换和迈克尔加成两步反应制备了接枝阳离子多肽(R3H7C)的葡聚糖-阳离子多肽偶联体(D-R3H7)。高生物相容性的Dex与正电性短肽的结合使得D-R3H7在小鼠成纤维细胞(L929)和大鼠原代成纤维细胞(RFB)中具有低细胞毒性。正电性的精氨酸(R)以及高质子缓冲能力的组氨酸(H)赋予D-R3H7高的DNA负载能力以及优异的转染性能。细胞实验表明D-R3H7可输送表达人源表皮生长因子的功能质粒(ph EGF),进而上调L929细胞中外源性人源EGF和内源性小鼠EGF的表达。在大鼠全层皮肤缺损模型中详细研究了D-R3H7输送ph EGF(D-R3H7/ph EGF)的基因治疗效果。正常大鼠模型显示,D-R3H7/ph EGF在单次高质粒剂量以及多次低质粒剂量两种给药方式中均能促进皮肤愈合,且前者效果更佳。这种差异化治疗效果的作用机制也被初步揭示:相比于持续补充外源生长因子,创面初期的高效输送外源生长因子(本研究中的单次高质粒剂量),能更有效地促进大鼠自身EGF的分泌,进而促进创面修复。在挛缩程度较低的兔耳全层皮肤缺损模型中,进一步验证了D-R3H7单次高效输送ph EGF的有效促愈合效果,具有良好的临床应用前景。常见的聚合物基因输送体系存在着低剂量下转染效率快速/非线性降低的缺陷,不利于其体内应用与临床转化。基于此,在第三章中设计了含有负电性氨基酸——谷氨酸(E)的阴离子多肽(CH2E5),将其接枝到Dex骨架上制备了葡聚糖-负电性多肽偶联体(Dex-H2E5)。将Dex-H2E5作为功能层,对阳离子聚合物与核酸形成的二元基因输送体系进行改性,构建了新型三元基因输送体系(HPD),分析了其基因转染效率和提高基因转染效率的机制。结果表明,Dex-H2E5降低了二元输送体系的表面电荷,提高了细胞相容性;进一步提高了二元输送体系的血清稳定性实现了在高血清和低DNA剂量下的高效基因转染。此外,Dex-H2E5可与其它经典阳离子聚合物/基因形成的二元输送体系静电络合,也可以提高其基因转染效率。细胞内吞和DNA细胞内输送试验显示,Dex-H2E5壳层提高转染效率的作用机制在于:在高血清/低剂量条件下其可有效提高HPD的稳定性,进而实现有效内吞;其高缓冲能力以及p H响应性确保了HPD具有高效的内涵体逃逸和DNA解离释放能力。基于三元输送体系HPD具有高血清/低剂量条件下的高基因输送效率,在第四章中探究了HPD输送低剂量的功能质粒ph EGF对全层皮肤缺损的基因治疗效果。通过细胞实验证明HPD在L929细胞中可有效输送ph EGF,上调蛋白EGF的表达并促进细胞的增殖。在大鼠的全层皮肤缺损模型中通过单次低质粒剂量施用HPD,可以在创面中有效表达h EGF,促进创面修复,证明了HPD的高效性。同时,针对严重溃疡或烧伤的创面中残存细胞较少的问题,通过体外基因治疗促进伤口的愈合。通过细胞实验表明HPD可以在RFB中有效输送报告质粒,且保持剂量稳定性。通过HPD预先在体外对同种异体的RFB输送ph EGF,进行基因改造,然后制成细胞悬液用于创面的治疗,实现伤口的高效高质愈合。综上所述,针对皮肤修复的基因治疗需要低毒高效的稳定合成的基因输送体系这一科学问题,本论文通过高效的两步反应把高生物相容性、易于羟基改性的天然多糖葡聚糖与具有不同结构/功能氨基酸的短肽相结合,设计开发了两种葡聚糖-多肽偶联体,用于构建基因输送体系。通过细胞实验证明了输送体系的低毒高效性能,在大鼠和兔耳的皮肤全层缺损模型中探究和验证了在皮肤愈合中基因治疗的治疗方式与治疗效果,同时验证了其生物安全性。本论文针对创面的基于多糖-多肽偶联体制备基因输送体系的研究,不仅为皮肤疾病基因治疗的临床应用提供可借鉴的治疗模式,还为开发高效基因输送体系提供新思路。
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